X
تبلیغات
مهندسی الکترونیک - منبع تغذیه

منابع تغذیه سوئیچینگ به دو نوع کلی قابل تقسیم بندی هستند:

فوروارد         Forward

فلای بک        flyback

با وجود شباهتهای فراوان تفاوتهای متمایز کننده ای هم وجود دارد. نحوه عملکرد و چگونگی قرار گیری عنصر مغناطیسی تعیین کننده نوع مدار است.

- یک منبع سوئیچ جهت تهیه موج PWM

- القاگر (در مورد منابع پیشرفته تر القاگر جای خود را به ترانس می دهد).

- سوئیچ قدرت

- یکسو کننده

- خازن ذخیره کننده انرژی در خروجی

- شبکه های حس کننده و عمل کننده بازخورد.

1-2: رگولاتور سوئیچینگ حالت فوروارد

آرایش کلی منابع نوع فوروارد مطابق مدار شکل است.

سوئیچ قدرت امکان دارد یک ترانزیستور قدرت یا یک MOSFET باشد. همچنین امکان وجود یک ترانسفورمر به جای القاگر به منظور تغییر سطح ولتاژ و ایجاد ایزولاسیون وجود دارد. (اولیه این ترانس جای القاگر را می گیرد و ثانویه آن بار و فیتر خروجی را تغذیه می کند).

القاگر یک عنصر ذخیره کننده انرژی است. و عملکرد مدار خیلی شبیه پیستون و چرخ طیار می باشد.

مجموعه چرخ طیار انرژی می دهد، هنگامی که سوئیچ باز است با چرخش جریان از طری دیود انرژی از سوی القاگر تامین می شود و در چره بعدی با بسته شدن سوئیچ القاگر مجدداً توسط منبع Vin انرژی دار می شود.

هر دوره کاری از مدار فوق به دو بخش قابل تقسیم است. T1 هنگامی که سوئیچ بسته است جریان از منبع و القاگر عبور کرده و در اختیار فیلتر و بار قرار می گیرد در این حالت دیود خاموش است سپس 12 سوئیچ باز می شود در این هنگام سوئیچ، متوسط ولتاژ خروجی را کنترل می کند (عملاً 5% تا 95%).

(رابطه 1-2)                                                         

چنین منابعی ولتاژی با پلاریته مخالف یا بزرگتر از ولتاز ورودی نمی توانند تولید کنند.

2-2: رگولاتور، سوئیچینگ حالت فلای بک

مدارهای فلای بک از آرایش کلی در شکل پیروی می کنند.

(رابطه 2-2)                                                          

با روشن شدن سوئیچ قدرت القاگر از طریق منبع پر انرژی می گردد با خاموش شدن آن جریان باز از طریق دیود القاگر و تغذیه ادامه می یابد. تحت ولتاژ کاری  D.C به 50% می رسد و   برابر کل دوره کاری منهای  می شود.

علی رغم شباهتهای فراوان حالات فلای بک و فوروارد تفاوت عمده این دو در هنگام خاموشی سوئیچ قدرت است در این زمان:

در مدار فوروارد تغذیه بار از راه القاگر و دیود ادامه یابد در حالی که در مدار فلای بک این کار از راه تغذیه القاگر و دیود انجام می شود.

سوئیچینگ نمونه

اشکال  طرح کلی یک منبع تغذیه سوئیچینگ نمونه را به همراه شکل موجهای آن نشان می دهند.

1-3: فیلتر EMI

این بخش از دو عنصر القاگر  و خازن  که یک فیلتر را می سازند تشکیل شده است.

دو وظیفه عمدنه این بخش عبارتند از:

- ممانعت از تشعشع رادیویی در فرکانس کاری و تزریق نویز حاصل از سوئیچینگ به خط تغذیه اصلی .

- و دیگری، جلوگیری از ورود اسپایک های موجود در تغذیه  به مدار.

فرکانس قطع این فیلتر نباید از 2 تا 3 برابر فرکانس کار تغذیه بیشتر باشد.

 

 

2-3: خازن انباره فیلتر ورودی

این یک خازن بزرگ است که وظیفه ذخیره انرژی را بر عهده دارد و حداقل مرکب از دو خازن است. یک خاز الکترولیت یا تانتالیوم برای مولفه های جریان در فرکانس تغذیه سوئیچینگ و یک خازن سرامیک برای مولفه های هارمونیک فرکانسی سوئیچینگ.

به این دلیل که مسیرهای سیم کشی یا مدار چاپی امکان دارد طولانی باشند و امپدانس زیادی را از خود نشان دهند (هنگام عبور مولفه های بالای جریان) برای حفظ پایداری مدار و تامین مولفه های جریان فوق الذکر وجود دارد این دو خازن ضروری است.

مقدار این دو خازن باید به گونه ای باشد که در فرکانس 3 برابر فرکانس تغذیه ، امپدانس ناچیزی را از خود نشان دهند.

3-3: ترانسفورمر

این قسمت علاوه بر ایزولاسیون DC وظیفه تغییر سطح ولتاز را هم بر عهده دارد.

تغییر در سطح ولتاز با تغییر نسبی تعداد دور اولیه و ثانویه انجام می شود ولی اگر طرح ترانس درست نباشد پایداری مدار و ضرایب اطمینان نیمه هادی متاثر می شود.

4-3: سوئیچ قدرت

معمولاً از ترانزیستورهای قدرت یا MOSFET استفاده می شود، که در دو حالت کاملاً روشن یا خاموش کار می کنند. کنترل سطح ولتاژ خروجی از طریق تغییر زمان روشن و خاموش اینها انجام می گیرد.

آسیب پذیرترین قسمت مدار اینجاست و اگر هر قسمت دیگری درست عمل نکند اولین جایی که آسیب می بیند این قسمت خواهد بود.

5-3: یکسو کننده خروجی

وظیفه یکسو سازی ولتاژ خروجی را بر عهده دارد و در مواردی که بعداً بررسی می شود باید از دیودهای سریع وحتی خیلی سریع استفاده شود.

 

 

6-3: بخش فیلتر خروجی

وظیفه ذخیره انرژی در زمان روشنی و ارائه آن را به بار در زمان خاموشی ترانزیستور بر عهده دارد و مانند چرخ طیار انرژی را در زمان on (روشن) تحویل گرفته و در هنگام off (خاموش) به بار تحویل می دهد. تقریباً 50% انرژی بیشتر از مقدار مورد نیاز بار در سلف و خازن ذخیره می شود.

7-3: عنصر حس کننده جریان

روشی که در این جا نشان داده شده است تنها یک راه حس جریان است. هدف تولید یک ولتاژ مناسب با جریان خروجی است سپس این ولتاز تقویت شده و جهت کنترل جریان به هر روشی به کار می رود.

8-3: عنصر بازخورد ولتاز

از طریق یک شبکه تقسیم مقاومتی کسری از ولتاژ خروجی به تقویت کننده خطا جهت مقایسه با یکولتآژ مبنا برده می شود. روش حس ولتآژ خروجی به این راه محدود نمی شود، این راه حلی معمولی است.

9-3: بخش کنترل

وظایف اصلی این قسمت حول تولید پالس های PWM دریافت و اعمال بازخوردهای ولتاژ و جریان و راه اندازی نرم (بعضی از پارامترهای مهم در منابع تغذیه سوئیچینگ بر مبنای  نامی طرح می شوند و هنگامی که  کم است امکان آسیب رسیدن به بخشهایی از مدار هست عبور از مرحله گذرا و نیل به حالت پایدار بدون آسیب دیدن هیچ قسمتی را راه اندازی نرم می نامند) متمرکز شده است و از بخشهای:

مولد موج، مقایسه گر با پالس های ramp، تقویت کننده های خطا و مرجع ولتاژ ... تشکیل یافته است.

رگولاتور سوئیچینگ با ترانسفورمر ایزوله کننده

تنها عامل ایزوله کننده در منابع غیر ایزوله سوئیچ نیمه هادی است. و بنا به دلایلی از قبیل ولتاز شکست نسبتاً پایین، زمان MBTF نه خیلی طولانی ایزولاسیون خوبی را تامین نمی کنند. و اینها به خاطر عیب نیمه هادی نمی باشد بلکه بیشتر به خاطر شرایط تحمیلی کار است.

با بهره گیری از ترانسفورمر ایزوله کننده، ایزولاسیون به کمک عایق سیمها و نوارهای عایق انجام می شود. در این حالت تا صدها ولت و بیشتر ولتاژ قابل تحمل وجود دارد.

حسن دیگر تراسنفورمر ایزوله کننده افزودن خروجیهای متعدد بدون نیاز به رگولاتور جداگانه است. در این جا هم توپولوژی های فلای بک و فوروارد وجود دارد. به علاوه ترانس می تواند به عنوان افزاینده یا کاهنده ولتاژ عمل کند.

رگولاتور فلای بک

ساده ترین و کم قطعه ترین عضو خانواده منابع تغذیه سوئیچینگ، طرح فلای بک است و در محدوده بسیار وسیعی به کار می رود. کاملاً شبیه رگولاتور بوست است، بجز یک سیم پیچ اضافی روی القاگر آن این سیم پیچ علاوه بر ایزولاسیون قابلیتهای فراوانی را هم به مدار می افزاید .

شکل زیر:

- بیش از یک خروجی در یک تغذیه قابل تحصیل است.

- خروجی می تواند مثبت یا منفی مستقل از سطح ورودی باشد.

- ایزولاسیون الکتریکی بین ورودی و خروجی خیلی زیاد است.

عملکرد این رگولاتور ترکیبی از عملکرد رگولاتورهای بوست و باک است. و در یک دوره کاری قابل تفسیر است. نخست هنگامی که سوئیچ قدرت روشن است در این حالت با عبور جریان از اولیه ترانس، ترانس انرژی دار می شود و سپس هنگامی که سوئیچ خاموش می شود، با تخلیه انرژی در بار از مقدار انرژی کاسته می شود.

در این جا هم اگر انرژی تا نیم دوره بعدی در هسته باقی بماند حالت (حالت) کاری پیوسته و اگر نماید حالت ناپیوسته است.

هنگامی که سوئیچ روشن است جریان خطی مثلثی با شیب  در اولیه به راه می افتد و تا هنگامی که سوئیچ خاموش نشود، ادامه می یابد.  ولتاژ اعمالی به ترانزیستور است. وقتی که ترانزیستور روشن است  برابر ولتاژ اشباع ترانزیستور، و هنگامی که سوئیچ خاموش می شود این ولتاژ به مقدار  می رسد (به علاوه افت یک دیود و حالت گذرا Ringing).

چرا که در این حالت هم دیود و هم سوئیچ خاموش است. از اینجا جریان با شیب  کاهش می یابد امکان خروج از رگولاسیون درحالت (حالت ) ناپیوسته کاری وجود دارد.

عملکرد مدار فلای بک کمی پیچیده تر از فوروارد است، ولی ریاضیات حاکم کماکان ساده است. علی رغم حالت فوروارد سیم پیچ اولیه و ثانویه هم فاز پیچیده نشده اند و جریان هم جهت به راه نمی افتد و لذا اولیه و ثانویه مانند القاگرهای ساده جداگانه می توانند تحلیل شوند.

در مورد ثانویه تحت ولتاژ ثابت بار خازن شارژ و دشارژ می شود، ظاهراً مانند منبع ولتاژ عمل می کند ولی بیشتر همانند منبع جریان می باشد (مقید به ولتاژ خازن خروجی).

ثابت است) ولتاژ ورودی )                               (2-4)      

و به طور مشابه:

(3-4)                                                                                     

انرژی وارده به القاگر:

(4-4)                                                                            

که انرژی درونی هسته در هر چرخه است.

حاصلضرب این مقدار در f فرکانس برابر انرژی کل می باشد (بر حسب وات).

به دلیل استفاده یکسویه از منحنی B-H ترانس در مدار فلای بک، هسته در جریان های زیاد به اشباع می رود. (در این حالت جریان ثانویه به نرمی به مقدار ثابتی میل می کند). هنگام کار با ولتاژ ورودی زیاد همراه با عرض پالس حداکثر جریان بار زیاد مشکل حادتر می شود. اگر زمان مرده (زمان خاموشی ترانزیستور) خیلی کوتاه باشد هسته می تواند به اشباع برود. جهت پرهیز از چنین اشکالی طراحان با تجربه از یک شکاف هوایی در هسته استفاده می کنند.

شکل زیر جریان سوئیچ قدرت را در دو حالت کاری پیوسته و ناپیوسته نشان می دهد.

رگولاتور پوش پول Push-Pull

شکل 7-4 آرایش مدار Push-Pull را نشان می دهد، این مدار مانند سایر رگولاتورهای فوروارد در خروجی به فیلتر L-C و buck مجهز است، انرژی در هسته ذخیره نمی شود، و جریان در ثانویه همزمان با هدایت ترانزیستور مربوطه در اولیه به راه می افتد. ترانزیستورها به صورت متوالی با یک زمان مرده (این زمان که برای BJT، حدود 2 میکرو ثانیه و برای Mosefet برابر 50 تا 400 نانو ثانویه است، برای کسب اطمینان از خاموش شدن ترانزیستورها از لحاظ اعمال ولتاژ به گیت یا بیس تا توقف کامل عمبور جریان از کلکتور یا درین لازم است) کار هدایت جریان را بر عهده می گیرند. (در صورتی که زمان مرده کافی نباشد یک ترانزیستور هنگامی که ترانزیستور دیگر کاملاً خاموش نشده است روشن می شود و در این حالت عبور جریان بسیار زیاد از اولیه باعث آسیب دیدن ترانزیستورها خواهد شد).

علی رغم اینکه سیم پیچ های اولیه و ثانویه در یک جهت پیچیده شده اند نحوه اتصالات به گونه ای است که جریان در جهت های عکس به صورت متوالی در اولیه به راه می افتد، در این حالت از عنصر مغناطیسی به صورت متقارن استفاده می شود این شکل کارکرد مدار مزایایا زیر را به همراه دارد:

- فوران ایجاد شده در هسته پیرامون منحنی B-H متقارن است، و در این حالت علی رغم فضای اضافی لازم برای سیم پیچی اضافی، حجم هسته منتجه کاهش چشمگیری پیدا می کند.

- مزیت دیگر در مقایسه با طرح فلای بک قدرت تحویل توان دو برابر به بار است. این منابع تحویل تا چند صد وات را به خروجی دارند.

- به دلیل کارکرد هر یک از ترانزیستورها در فرکانسی برابر نصف فرکانس کاری اصلی عواملی محدود کننده نظیر حرارت ... به نصف کاهش یافته است. مانند رگولاتور buck القاگر خروجی هیچگاه نباید کاملاً از فوران تخلیه گردد، جریان القاگر خروجی یک موج مثلثی برابر حاصل جمع جریان در دو نیمه ولیه ضربدر ضریب تبدیل جریان ترانسفورمر است که روی یک سطح dc که دست کم برابر نصف جریان نامی خروجی باید باشد سوار است.


 

اشکال اساسی و غیر قابل حل رگولاتور push-bull:

به دلیل اینکه هیچ دو ترانزیستوری یافت نمی شوند که مشخصاتشان کاملاً یکسان باشد، و عملاً پیچیدن دو نیمه اولیه به صورت کاملاً یکسان بسیار مشکل است، مدار از کار متقارن حول منحنی B-H خارج می شود و این همه مشکل نیست.

مشکل اصلی هنگامی بروز می کند که کنترلر سعی در جبران D.C مدار هنگامی که بار با یک افزایش پله ای در جریان خروجی مواجه می شود بنماید. در این حالت هسته به اشباع می رود و هر گونه تلاشی در جهت افزایش توان تحویلی به بار بیهوده است و این کار به افزایش جریان عبوری ترانزیستورها منجر می شود که در نهایت باعث بروز آسیب جدی به نیمه هادی می شود. اغلب طراحان با تجربه ا ستفاده از آرایشهای نیمه پل و تمام پل را بر Push-Pull ترجیح می دهند.

رگولاتور نیم پل (Half-Bidge)

شکل دیگر مبدل با ترانسفورمر ایزوله آرایش نیم پل است. همان طور که در شکل دوم پیداست در اینجا تنها یک سیم پیچ اولیه داریم که در کوپلاژ با یک ترانسفورمر سر وسط افزاینده یا کاهنده قرار دارد. اولیه این ترانس توسط دو سیم پیچ قدرت متناوب به زمین یا  روی سیم پیچ اولیه می افتد، خطر اشباع وجود ندارد (تنها پیک می تواند هسته را به اشباع بیندازد) . به علاوه نیازی به مدارات کنترلی گران قیمت نمی باشد. یکی از اشکالات این منابع هدایت ترانزیستورها به ویژه ترانزیستور بالایی است و هدایت آنها به وسیله یک ترانسفورمر ایزوله انجام می گیرد.

در محدوده W150 تا W1500این طرح بهترین انتخاب است. کمتر از آن فلای بک از نظر قیمت ترجیح دارد بیشتر از آن هم قابلیت اطمینان این مدار کم است.


رگولاتور تمام پل (Full-Bridge)

آخرین آرایش مربوط به تمام پل است. در اینجا در مقایسه با نیم پل خازن ها جای خود را به یک جفت ترانزیستور داده اند. و هر جفت ترانزیستور همزمان کار هدایت را بر عهده می گیرند.

به دلیل اینکه همه  روی سیم پیچ اولیه می افتد پیک جریان کمتری دارد. و توان قابل عرضه به شکل قابل ملاحظه ای افزایش می یابد وجود خازن سری تعادل هسته را تامین می کند (این کار با حذف مولفه DC جریان انجام می گیرد) در اینجا هم مدار فرمان ترانزیستور ایزوله لازم است.

که به راحتی برای دو جفت ترانزیستور با دو جفت سیم پیچ قابل تحصیل است و مدار فرمان پیچیده ای را طلب نمی کند. اشباع هسته واقعاً برای ترانزسیتورها مخرب است ولی این طرح برای توان های 400 تا چند کیلووات به راحتی کار می کند.

یکسو کننده ها

یکسو کننده ها دارای نقشی بحرانی در منابع تغذیه سوئیچینگ می باشند. و به دلیل آنکه وسایل دو سیمه هستند راهی بجز انتخاب بهترین و مناسبترین دیود باقی نمی ماند. پارامترهای مهم در انتخاب یکسو کننده ها در ارتباط با منابع تغذیه شامل موارد زیر می باشند.

1- الفت ولتاژ مستقیم: ولتاژی است که هنگام عبور جریان مستقیم از دیود وجود دارد و در کیفیت کاری دیود موثر است.

2- زمان احیای معکوس: این زمان برای خاموش شدن دیود بعد از آنکه ولتاژ مستقیم از روی آن برداشته شد برای توقف جریان دیود لازم است. برای توقف جریان در دیود بعد از آنکه یک ولتاژ معکوس بزرگ روی دیود اعمال شود زمان مشخصی صرف می شود. واضح است که  بزرگتر، تلفات بیشتری را به همراه دارد.

3- زمان احیای مستقیم: (که معمولاً توسط تولید کنندگان بیان نمی شود) زمان لازم برای شروع به هدایت دیود، بعد از اعمال ولتاژ مستقیم به دیود است. (در زمان کوتاهتر اسپایک های کمتری رخ می دهد، هنگامی که القاگر و ترانسفورماتور در حالت خاموشی دیود بی بار می شود).

4- ولتاژ بلوک کننده معکوس: این ولتاژی است که قطعه می تواند پیش از شکسته شدن پیوندش به صورت معکوس تحمل کند. در تعیین این ولتاژ در طراحی علاوه بر حداکثر ولتاژ اعمالی اسپایک های احتمالی را هم باید در نظر گرفت.

چهار نوع یکسو کننده موجود براساس پارامترهای فوق در شکل فهرست شده اند. مدار معادل یک دیود واقعی و زمانهای مهم نیز در دیود در شکل قبل نشان داده شده است.

پارامترهای مهم انواع دیودهای موجود در جدول موجود در شکل زیر به منظور مقایسه گرد هم آمده اند.

1- یکسوساز شاتکی: این نوع دیود کمترین افت هدایت را در میان همه انواع دیودها دارد. و زمان هدیات معکوس آن صفر است. نقطه ضعف آن ولتاژ قابل تحمل کم (حدود V100) و جریان اشباع معکوس زیاد آن است به منظور استفاده در کاربردهای ولتاژ کم و جریان زیاد مناسب است.

2- یکسو ساز با زمان بازیافت  فوق سریع: این نوع یکسو سازها ولتاژ هدایت قابل ملاحظه ای دارند (حدود 79/0) زمان حدود 25 تا nsec50 و به علاوه ولتاژ شکست معکوس آنها بیش از V1000 است.

3- دیودهای سریع: این گونه دیودها افت ولتاژ مستقیم بیشتر و زمان احیاء معکوس      نسبتاً طولانی تری در مقایسه با دیودهای فوق سریع دارند (nsec200و V4/1). ارزانتر از دیودهای فوق سریع می باشند اگر کیفیت فوق العاده مطرح نباشد انتخاب خوبی هستند.

4- یکسو کننده های معمولی: اینها در طرح منابع تغذیه سوئیچینگ کاربردی ندارند تنها در یکسو سازی Hz60 و 50 به کار می روند.

مدارات مجتمع کنترل کننده منابع تغذیه

در سالهای اخیر انواع گسترده ای از IC که عملکردهای پیچیده تر را در یک منبع تغذیه امکان پذیر و آسان می کند به بازار عرضه شده است.

پس از انتخاب آرایش و سطح انتظارات، انتخاب بهترین IC کنترل کننده باید انجام گیرد. علی رغم  اختلافات فراوان شباهتهای بسیاری بین این IC ها وجود دارد. موارد زیر در اغلب آنها مشترک است.

1- یک نوسان سازی که در فرکانس پایه کار می کند، و موج مثلثی جهت استفاده در PWM را تولید می کند.

2- راه انداز خروجی که توان کافی را در جهت بکارگیری در مقاصد کم و (میانه) متوسط تولید می نماید.

3- ولتاژ مبنا که ولتاژ پایه را جهت مقایسه خروجیها و همچنین یک ولتاژ پایدار برای سایر بخشها تولید می کند.

4- تقویت کننده ولتاژ خطا که با بهره بالا ولتاژ مقایسه ای را بین ولتاژ خروجی و ولتاژ مبنای پایدار تامین می کند.

5- یک مبدل خطا، ولتاژ به عرض پالس که D.C خروجی را متناسب با سطح ولتاژ خطا تنظیم می کند.

این ها بلوک های اصلی یک PWM IC را تشکیل می دهند.

بخشهایی که در یک سطح بالاتر کاری ممکن است لازم باشد عبارتند از:

1- یک تقویت کننده جریان اضافی، که تغذیه را در شرایط غیر طبیعی در ارتباط بار حفاظت می کند.

2- یک مدار شروع نرم که مطابق نامش برای راه اندازی نرم خروجی به کار می رود.

3- کنترل کننده زمان مرده که حداقل عرض پال PWM را کنترل می کند و از هدایت همزمان دو ترانزیستور ممانعت به عمل می آورد (یا D.C برابر 100%).

4- یک ناظر ولتاژ حداقل که از شروع به کار بردن مدار در شرایطی که ولتاژ نامناسبی در ورودی وجود دارد جلوگیری می کند.

برای شروع پروسه طراحی نخست باید توپولوژی مدار مورد نیاز مناسب انتخاب شود؛ (اینه یک یا دو راه انداز در خروجی داشته باشیم). این نیازهای اولیه IC را تعیین می کند.

کنترل کننده هیا با یک سر خروجی تنها یک سوئیچ قدرت ، انواع دو گانه دو سوئیچ قدرت را تحت کنترل خود دارند کنترلرهای با دو خروجی در توپولوژی های نیمه پل و تمام پل و پوش پل به کار می روند.

IC های مجهز به خروجی  مضاعف دارای یک بخش اضافی به نام حافظ پالس دو گانه هستند، تا یک سوئیچ قدرت نتواند دوبار پیاپی روشن شود. (که به اشباع ترانسفورمر منجر شود).

عامل دوم نوع سوئیچ قدرت به کار گرفته شده است. بعضی IC های کنترلر، ترانزیستور خروجی برای راه اندازی دارند که اینها برای راه اندازی ترانزیستورهای دو قطبی لازم است امکان دارد ترانزیستور کمکی خروجی هم لازم باشد.

برای MOSFET های قدرت طرح «توتم پول» بهترین انتخاب است. این راه اندازهای خروجی برای هدایت ترانزیستورها ایده آل هستند، همچنین جهت تامین جریان های شارژ و دشارژ خازن های گیت لازم هستند. به علاوه هر یک از ترانزیستورهای خروجی توان هدایت هر ترانزیستور را با حداقل قطعات دارد.

حالت (نوع) کنترل ولتاژ

در نهایت حالت کنترل باید در نظر گرفته شود. این گونه کنترلرها اصولاً حلقه های کنترل منفرد یا چند گانه هستند، حلقه کنترل تنها، معمولاً حالت کنترل ولتاژ نامیده می شود. در مواردی که ولتاژ خروجی سنجیده می شود و با ولتاژ مبنا به منظور کنترل D.C مقایسه می شود. این نوع کنترل، کنترل شایسته ای را انجام می دهد اما ممکن است در زمان پاسخ به بار گذرا و تنظیم خط (خروجی) با مشکل مواجه شود. نوع پایه این کنترلرها در شکل زیر نشان داده شده است.

چند کنترلر نمونه خروجی و جفت خروجی در اینجا فهرست شده اند.

Single-Ended Controllers

Double-Ended Controllers

SG1524

SG1525/26/27

MC34060

TL494/495

uA78S40

 

MC34063

 

NE5560

 

این مدل خطا را با شیب تولید شده توسط نوسان ساز جهت تعیین عرض پالس سوئیچ قدرت مقایسه می کند. هنگامی که بار ثابت است خوب عمل می کند و به دلیل اینکه تنها خروجی جهت حس به مقایسه کننده ارسال می شود اگر بار یا خط به سرعت تغییر کند عنصر مغناطیسی و فیلتر تاخیر جداگانه ای را طلب می کنند (پیش از آنکه همه تغذیه بتواند به تغییرات جواب بدهد) به این دلیل کنترل چند گانه ابداع شده است.

حالت (نوع) کنترل جریان

در این نوع کنترل حلقه کنترل دومی به حلقه کنترل ولتاژ اضافه می شود.

موقعیت PWM و مولد شیب همانند نوع کنترل ولتاژ است. در این جا نوسان ساز تنها وظیفه تولید فرکانس ثابت را دارد در شکل زیر  یک نمونه نشان داده شده است. به علاوه چهار نوع کنترلر جریان وجود دارد.

نوع عمومی که در ICهای پیشرفته به کار می رود تحت نام "turn-on with clock" معروف است. به این معنا که نوسان ساز سوئیچ را روشن می کند تا اینکه حلقه دوباره آن را خاموش کند.

یک نکته که در شکل زیر  پیداست آن است که سطح ولتاژ خطا با سطح ماکزیمم پیک جریان فرستاده شده به ترانس یا فیلتر IC تعیین می شود. همان طور که در شکل زیر  پیداست، سطح ولتاژ، تعیین کننده جریانی است که اجازه می یابد در داخل ترانسفورمر یا فیلتر خروجی جاری شود.

اگر ولتاژ ورودی تغییر کند این تغییر بلادرنگ با تغییر پیک جریان عنصر مغناطیسی ظاهر می شود. یک مشکل بزرگ در کارکرد با این نوع IC آن است که برای D.C بیشتر از 50% سیستم ناپایدار می شود، که توسط مداری که جبران کننده شیب نام دارد می توان جبران شود، که نیاز به دو حلقه مجزای دیگر که باید به حلقه های کنترل اضافه شوند را ایجاد می کند. این دو حلقه در خود IC وجود ندارند و باید افزوده شوند. اگر بار تغییر کند ولتاژ تقویت کننده خطا اجازه عبور حداکثر جریان بیشتر را به داخل فیلتر خروجی می دهد. همچنین حداکثر جریان  تغییر می کند که این بلافاصله توسط حلقه بازخورد جریان جبران می شود. لذا سطح فلوی داخلی قطعه مغناطیسی حس شده و به سرعت جبران می شود. معمولاً این مسائل در آرایش فال بک هنگام ورود به حالت پیوسته ایجاد می شود.

اغلب طراحان ترجیح می دهند که محدوده کاری را به کمتر از 50% محدود کنند. به علاوه حفاظت جریان اضافی خیلی پیچیده است.

در نوع کنترل جریان معمولاً تقویت کننده اضافی جریان توصیه نمی شود. فهرست بعضی کنترلرهای نوع جریان، پرمصرف در اینجا آمده است.

Single-Ended Control

Double-Ended Control

UC3842/43/45

CU3825

MC34129

 

 

 

ترانسفورمر حالت (نوع) فوروارد

ترانسفورمر در مبدل فوروارد چند نقش خطیر را بر عهده دارد. در رگولاتور حالت فوروارد است که رگولاتور سوئیچینگ در مقایسه با منابع خطی و غیر ایزوله انعطاف پذیر تر و اقتصادی تر می شود برای مثال ترانسفورمر:

1- ایزولاسیون ما بین ورودی و خروجی را تامین می کند.

2- اجازه افزودن خروجیهای متعدد دیگر را به طراح با افزایش اندکی در قیمت در مقایسه با نوع تک خروجی می دهد.

هر چند که قابلیت اطمینان بالایی را به سیستم می افزاید ولی طراح آن باید به بصیرت و آگاهی بالای انجام گیرد. تراسنفورمر نوع فوروارد دو یا بیش از دو سیم پیچ هسته دارد.

سیم پیچی که انرژی را به هسته وارد می کند اولیه و سیم پیچ هایی که توان را از هسته به بار تحویل می دهند ثانویه نام دارند. هر دو سیم پیچ اولیه و ثانویه به طور همزمان جریان را هدایت می کنند.

با اعمال ولتاژ در اولیه فلو در ماده مطابق رابطه زیر شروع به تغییر می کند:

(7-6)                                                                   

و به طور همزمان در پاسخ به تغییر فلو ولتاژی در سیم پیچ ثانویه ظاهر می شود، که این به هدایت جریان در بار و سیم پیچ ثانویه منجر می گردد. و این خود یک فلوی مغناطیسی را ایجاد می کند که با فلوی اصلی در تضاد است و سعی در خنثی سازی آن دارد.

هر گونه اختلافی ما بین سطح فلوی مطلق سیم پیچ ورودی و فلوی معکوس به کار لازم جهت مغناطیس کردن هسته و اندوکتانس های نشتی خود سیم پیچ اختصاص دارد.

ملاحظات چندی در این نقطه باید انجام گیرد. نخست آن که به دلیل پیچیده شدن فشرده سیم پیچ ها رابطه ولتاژ و تعداد دور می تواند به صورت زیر بیان گردد:

                                                                       (8-6)           

و از این رو ترانسفورمر می تواند به منظور کاهش یا افزایش ولتاژ ورودی به کار رود به علاوه می توان خروجیهای متعدد با نسبت تبدیل جریان های زیر داشت:

(9-6)                                                                                    

اما گر جریان توسط بار محدود شود چه؟ اگر ما به جای،  مقدار زیر :

را در معادله 8-6 قرار دهیم در این صورت داریم:

(10-6)                                                                  

آنچه از این رابطه می توان فهمید آن است که امپدانس اولیه دیگر شبیه یک القاگر ساده نیست و عملاً از سوی امپدانس بار و نسبت تبدیل تعیین می شود و لذا امپدانس سیم پیچ به تنهایی یک چیز جزئی در محاسبه و طرح ترانسفورمر می باشد.

با ملاحظه شکل موج ترانسفورمر حالت فوروارد می توان دریافت که شکل موج فیلتر خروجی عملاً به ورودی انعکاس یافته است.

نخستین مرحله در طرح ترانسفورمر انتخاب ماده مناسب برای هسته است، ماده ای که در فرکانس کاری مطلوب تلفات کمی را از خود بروز بدهد در این حالت یک «فروآلوی» انتخاب مسلط اغلب طراحان است.

با تعیین مورد نیاز (این کار با توجه به آرایش مدار و روابط قبلی برای جریان قابل تعیین است) و ملاحظه مواد از روی جدول، طرح گام نخست را به سلامت بر می دارد.

سپس نوبت به انتخاب هندسه مناسب هسته می رسد (هسته های قالب گیری شده، عایق سازی خوب و دمای بالاتر کاری را امکان پذیر می کنند، زوائد هندسی هسته امکان جریان بیشتر هوا را و کاهش دمای کاری را فراهم می سازد) اگر قیمت عامل مهمی باشد، یک هسته E-I یا E-C لایه لایه شده برای محدوده 300 تا W500 می تواند به کار رود. حالا با انتخاب هندسه مناسب هسته طراح می تواند اندازه بهینه هسته و منابع تامین آن را پیدا کند.

اگر ملزومات ایمنی مهم باشد اغلب ظرفیتهای هسته افت می کند. این ویژگیهای اولیه مسیر ساخت ترانسفورمر را متاثر می کند. استفاده از نوارهای عایق کننده به طرز اجتناب ناپذیری فضای ارزشمند ترانس را مصرف می کند و لذا طراح باید حساب این حجم را نگاه دارد.

مرحله بعد انتخاب سیم مناسب است این کار با پیدا کردن متوسط چگالی جریان که سیم ها باید تحمل کنند آغاز می شود نرخ نوعی 1000 تا 4000 Circular mils per ampere برای آمپر است (انتخاب نوع و سطح مقطع سیم در تلفات الکتریکی و حرارت ظاهر شده موثر است.)

جریان ورودی در بدترین حالت:

(11-6)                                                                       

با مراجعه به جدول زیر سطح مقطع سیمها تعیین می شود، سپس طراح یک معادله توسعه یافته از سوی سازندگان هسته را به کار می برد.

با انتخاب (12-6)                         

این نتایج برای ترانسفورمر پایه دو سیمه قابل استفاده است.

اگر چند خروجی مطلوب باشد 30 تا 40 درصد به نتایج اضافه می شود و چنانچه پذیرش استانداردهای UL یا VDE هم مطلوب باشد در این صورت 20% دیگر به نتایج اضافه می شود در این مرحله انتخاب هسته با پیدا کردن هسته ای با  بیشتر یا مساوی مقدار محاسبه شده تکمیل می شود.

تعداد دور اولیه مورد نیاز:

(13-6)                                              

این عدد حالا به عنوان پایه همه محاسبات به کار می رود. در محاسبه تعداد دور ثانویه برای پرقدرت ترین سر خروجی چند مورد باید در نظر گرفته شود:

- نخست آنکه افت ولتاژ مستقیم دیودها نمی تواند در نظر گرفته نشود.

- همچنین عرض پالس حداکثر مجاز در حلقه کنترل که اینها با به کار بردن معادله بعدی می توانند انجام گیرند.

(14-6)                                       

در جایی که  افت ولتاژ اشباع سوئیچ های قدرت،  ولتاژ مستقیم دیودها  حداکثر  تغذیه است. معادله فوق به تقریب قابل قبولی برای تعداد دور ثانویه منجر می شود.


 

جدول اطلاعات سیم و سیم پیچی.

 

چنانکه مطلوب است که خروجی تحت ورودی کمتر از حداقل، از تنظیم خارج نشود. سپس درصد آن را هم باید اضافه کنیم، به علاوه تعداد دور اغلب به عدد صحیح بعدی گرد می شود، در این حالت این تعداد باید مرجع قرار بگیرد چرا که نرخ دوربر ولت ثابت است.

تعداد دور سیم پیچ سایر ثانویه ها از رابطه زیرین پیدا می شوند:

(15-6)                                                              

در طی این مرحله دقت بسیاری باید گردد چرا که هر گونه گرد کردن به خطایی در ولتاژ ثانویه منجر می شود.

پس از تعیین تعداد دورها طراح باید ترتیبات فیزیکی سیم پیچ ها را در نظر بگیرد. بر طبق نیازهای توصیف شده برای طرح سه ترتیب عمومی مطابق شکل زیر برای آرایش ثانویه وجود دارد.

 

مزیت شکل A داشتن افت تنها یک دیود است. سیم پیچ ها به صورت نیمه موج عمل می کنند لذا مجبور به تحمل تنها نصف جریان متوسط خروجی هستند، و قطر سیم پیچ کمتر است ولی هر بخش تعداد دور کامل سیم پیچی را دارد.

شکل B  آرایش ثانویه فاقد سر وسط در مقایسه با آرایش دارای سر وسط نصف تعداد دور را دارد ولی در طری دوره هدایت افت دو دیود را تحمل می کند و به دلیل حمل همه جریان، چگالی جریان و قطر سیم بیشتر است. به دلیل افت مضاعف دیودها تلفات بیشتری دارد به علاوه به همین دلیل گرانتر می باشد (قطر و میزان سیم هم باید در نظر گرفته شود).

آخرین آرایش خروجی کاملاً ایزوله شکل C  است. در اینجا مانند حالاتی که خروجیها در بخشی از سیم پیچ اشتراک دارند.هر ولتاژ سیم پیچ کاملاً ایزوله و جداگانه دارد. هر دو آرایش با و بدون سر وسط قابل تصور است. اغلب به یک نقطه زمین جهت به حداقل رساندن نویز احتیاج است (در اکثر موارد این کار به وسیله یک نوار مسی که پیرامون هسته پیچیده شده تامین می گردد).

واضح است که انتخاب هر طرح در اندازه نهایی ترانسفورمر موثر است. در این حالت باید دقت کرد که هسته به اندازه کافی بزرگ انتخاب شده باشد و همه فضای مورد نیاز را تامین کند. آنچه مهم است این است که در بعضی مواقع یک سیم پیچ ولتاژ را می دهد . در این حالت بالاترین جریان عبوری را که برابر حاصل جمع جریانهای منابع مختلف است باید در نظر گرفت، یک راه ساده محاسبه حجم قرقره سیم، حاصل جمع تعداد سیم ها در مساحت مقطع آنها است.

(16-6)                                              

با انتخاب ناحیه سیم ها بزرگتر از 35% برای تامین نیازهای دی الکتریک، یا بیتر از 75% برای آنکه نیازهای ایمنی هم تامین گردد، اگر این دو مطلوب نباشد حجم هسته ممکن است خیلی کوچک بشود. در چنین مواردی طراح مجبور به انتخاب هسته بزرگتر می باشد. تا این مرحله طرح اولیه تکمیل شده است آنچه باقیمانده محاسبه تلفات هسته و سیم پیچ هاست. اما حالا باید سیم پیچی ترانسفورمر در نظر گرفته شود. عامل اصلی دراین مرحله مسائل الکتریکی و حفاظتی می باشد. عامل الکتریکی کوپلاژ الکتریکی و مغناطیسی محکم و کامل سیم پیچ ها جهت به حداقل رساندن اندوکتانس نشتی می باشد (کوپلاژ در فرکانس بالا بهود یافته و اثر خازنی خود سیمها به حداقل می رسد).

اصولاً سیم پیچ ها می خواهند خیلی نزدیک به یکدیگر باشند ولی بعضا مجبور هستیم لایه های عایق را جهت تامین نیازهای ایمنی بین آنها قرار دهیم که این به طور وسیعی کوپلاژ را کاهش می دهد (مغناطیسی و به تبع آن الکتریکی) و اندوکتانس نشتی را زیاد می کند.

با انجام این دو کار می توان تا حدودی بر شکل فوق غلبه کرد:

1- سیم پیچ ها را دو گانه کنید تا مجبور به عایق بندی بین آنها نباشید. این کار اصولاً برای سیم پیچ های ثانویه انجام می گیرد بدین معنا که به جای استفاده از یک سیم از دو سیم به موازات هم استفاده کنید با این کار علاوه بر بهبود کوپلاژ رگولاسیون خروجی هم بهبود می یابد.

2- اولیه را در میان ثانویه جایگزین کنید. این کوپلاز ما بین اولیه و ثانویه را اضافه می کند.

شکل زیر سیم پیچی را که مطابق استاندارد VDE پیچیده شده است را نشان می دهد. همان طور که در ابتدا پیداست نه تنها لایه ها توسط یک نوار از هم عایق شده اند بلکه سرهای خروجی با فاصله حداقل mm2 از یکدیگر جهت تامین نیازهای VDE قرار گرفته اند.

به علاوه بر هادی باید توسط یک لایه عایق جدا شود که این کار فضای با ارزش ترانسفورمر را به دو هدر می دهد به همین خاطر کلیه منابع تغذیه ای که ولتاژی کمتر از V5/42 و جریانی کمتر از A8 را ارائه می دهند، نیازی به این ملاحظات ایمنی ندارند. همه این سیم پیچ ها به منظور تامین نیازهای الکتریکی می توانند به صورت مضاعف پیچیده شوند.

آنچه مهم است این است که طرح ترانس به ویژه ترانسفورمر فوروارد به صورت یک پروسه یک طرفه در نظر گرفته نشوند. و هیچیک از این مقادیر مطلق تصور نگردند، و همواره مسیر اصلاح محاسبات از روشی چون مقادیر به دست آمده از آزمایش عملی باز باشد.

 

ترانسفورمر حالت (نوع) فلای بک

پروسه طرح ترانسفورمر فلای بک کاملاً از ترانسفورمر فوروارد متفاوت است. و خیلی شبیه یک القاگر نوع فوروارد عمل می کند و در اصل اسم آن القاگر شناور است. با در نظر گرفتن شکل موج جریان اولیه و ثانویه مطابق شکل زیر، آنچه که امکان دارد جالب توجه باشد، این است که در این جا شکل موجهای جریان شبیه القاگر حالت فوروارد هستند.

 

ترانسفورمر نوع فلای بک از یک هسته سیم پیچ اولیه و یک یا چند ثانویه ساخته شده است. به منظور تشریح پروسه طراحی ما تنها گونه با یک سیم پیچ ثانویه را تحلیل خواهیم کرد، و در انتها روش اضافه کردن خروجیهای دیگر را خواهیم گفت، اینها مانند القاگر جداگانه ای با هسته مشترک عمل می کنند.

این عملی صحیح است چرا که ترانسفورمر شروع به ذخیرش انرژی در هسته خود در آغاز هدایت سوئیچ می کند و هنگامی که اولیه این پروسه را کامل کرد ثانویه شروع به برداشتن انرژی دخیره شده از هسته می کند و تحویل آن به فیلتر خروجی این شیوه عملکرد انعطاف پذیری بالایی را به همراه می آورد:

نخستین و مهمترین عامل در طرح ترانسفورمر فلای بک آن است که اولیه قادر به ذخیرش انرژی کافی در هسته در دوره مجاز، جهت حمل قدرت مورد نیاز می باشد.

اغلب طراحان 50% دوره کاری را برای بدترین شرایط کاری شامل بدترین ورودی و بار در نظر می گیرند که این در کمترین ولتاژ ورودی و حداکثر بار رخ می دهد.

هنگامی که سوئیچ قدرت روشن است جریان در اولیه شروع به افزایش با شیب و حداکثر:

(17-6)                                                                

(18-6)                                                                             

همان طور که پیداست حداکثر جریان اولیه تابع ولتاژ ورودی و زمان روشن بودن سوئیچ است.

انرژی ذخیره شده در هسته تابع توان دوم حداکثر جریان ورودی می باشد. D.C  به شکلی تغییر می کند که جریان و انرژی مورد نیاز تامین شود.

(19-6)                                                                  

(  حداکثر زمان روشن که نباید از 50% کل زمان کاری تجاوز کند.)

توان حالت دایم به صورت حاصلضرب انرژی ذخیره شده در زمان روشن در فرکانس کاری که برای یک ثانیه نرمالیزه شده است:

(20-6)                                                            

پیش از آنکه بتوانیم یک معادله م حوری خوب طرح کنیم لازم است که یک عامل افزودنی را در نظر بگیریم.

ترانسفورمر فلای بک در دو حالت مختلف می تواند به کار رود:

1- حالت (حالت) ناپیوسته جایی که همه انرژی موجود در هسته توسط ثانویه پیش از آغاز دوره بعدی تخلیه می شود.

2- حالت پیوسته که مقداری انرژی در هسته پیش از آغاز چرخه بعدی باقی می ماند.

 برای حالت ناپیوسته جریان اولیه از صفر شروع می شود (یا مقدار حداقل در معادله 19-6 معال صفر) برای حالت پیوسته شیب جریان بر فراز یک پایه سوار است (سطح DC) که سبب می شود حداقل جریان از مقداری مخالف صفر شروع شود. به دو دلیل اغلب مبدل های فلای بک جهت کار در حالت ناپیوسته طرح شده اند:

1- ترانسفورمر می تواند کوچکتر ساخته شود. چرا که نیازمند اندوکتانس اولیه و ثانویه کوچکتری هست.

2- مبدل حالت پیوسته خیلی سخت تر پایدار می شود و محدوده کاری کوچکتری دارد.

اغلب مبدل های ناپیوسته فلای بک تحت ولتاژ ورودی کم ممکن است به حالت پیوسته (با خروج از تنظیم) وارد شوند.

حالا می دانیم که می خواهیم مبدل فلای بک ناپیوسته ای را طرح کنیم با ترکیب دو معادله 18-6و 19-6 با حداقل جریان برابر صفر رابطه ای برای دو پارامتر مهم زمان و قدرت به دست می آوریم.

حداقل پیک جریان لازم برای ذخیرش انرزی کافی در هسته توسط رابطه:

(21-6)                                                         

از این معادله می توان حداکثر اندوکتانس اولیه مورد نیاز جهت تولید پیک جریان لازم در دوره مجاز را پیدا کرد:

(22-6)                                                       

این محاسبات تحت حداقل ولتاژ ورودی و حداکثر بار انجام می شود. (در کمتر از این ولتاژ تحت هر باری تنظیم خروجی مبدل فلای بک تضمین شده نیست). توصیه می شود که طراح ناحیه ایمنی خاصی را در محاسبات در نظر بگیرد، به منظور تضمین عملکرد صحیح مدار( با در نظر گرفتن تلورانس های ساخت ترانس و غیره).

در این نقطه ما آماده طرح فیزیکی ترانس هستیم (لازم است که چند نکته را در طرح ترانس فلای بک در نظر بگیریم به دلیل ذخیره انرزی نسبتاً زیاد توسط ترانسفورمر در زمان کوتاه اندوکتانس کوچک است.

معنای این حرف آن است که  ترانسفورمر در مقایسه با نوع فوروارد به اشباع می رو، دلیل دیگر این امر همین عبور جریان یکسویه از ترانس است.

ترانسفورمر فلای بک برای محدوده خیلی کوتاه زمانی طرح می شود و به راحتی برای ولتاژهای پله زیاد و افزایش جریان بار وارد ناحیه اشباع می شود.

این حالت باعث می شود که تقویت کننده جریان به سرعت عرض پالس را زیاد کند و در این حالت حاصلضرب ولتاژ زمان ممکن است برای به اشباع بردن هسته کافی باشد.

شکافهایی منحنی را در راستای محور H طولانی تر می کند و در این حالت اجازه عبور جریان مغناطیس کننده گی بیشتر پیش از ورود به ناحیه اشباع را می دهد. که این حالت می توانند ناحیه کاری امنی برای مدار تدارک ببیند. و از ورود آسیب های احتمالی به ترانزیستورهای قدرت یا MOSFET ها در طی عمر کاری کم کند. افزودن شکاف هوایی پیامدهای دیگر هم دارد. از جمله اینکه مجبوریم جهت تحصیل اندوکتانس کافی تعداد دور سیم پیچ ها را اضافه کنیم و این به افزایش حجم هسته منجر می شود (به خاطر اینکه اندوکتانس با توان دوم تعداد دور متناسب است لذا اثرات افزایش تعداد دور در حجم ناچیز است). و لذا طراحان در طی پروسه طراحی تنها هسته هایی را که در ساختمان خود شکاف هوایی دارند را در هسته های «پرمالوی مولیبدنی» شکاف مورد نظر را با داخل کردن ذرات پودر غیر مغناطیسی در ساختمان خود ایجاد کرده اند. در این نوع هسته ها کوپلاژ (تزویج) در مقایسه با هسته های تروئیدی بهتر انجام می شود.

متاسفانه هزینه سیم پیچی هسته های تروئیدی 2 تا 3 برابر سایر هسته ها است و به دلیل اینکه قیمت عامل تاثیر گذار مهمی است لذا استفاده از بوبین به سبک هسته هایی فریت توصیه می شود. این هسته ها جزء خانواده هسته های شکافدار هستند و در نهایت ماده هسته در شرایط کاری (فرکانس و دامنه جریان) باید تلفات پس ماند کمی را به نمایش بگذارد. سازندگاه هسته عموماً یک روش ریاضی را جهت تهسیل در پروسه انتخاب هسته پذیرفته اند. به کمک این روش سطح مقطع مورد نیاز جهت تزویج توان الکتریکی به منظور تامین انرژی الکتریکی به دست می آید این پارامترها برای یک سیم پیچ تنها توسط رابطه زیر محاسبه می شود:

در جایی که  سطح مقطع سیم پیچ اولیه (بر حسب میلی متر مربع) جهت تامین بیشترین جریان متوسط (نمودار 1-6 را ببینید)  حداکثر چگالی فلوی کاری (معمولاً نصف تحت ولتاژ ورودی نامی) به دلیل وجود سیم پیچ ثانویه لازم است این معادله جهت تامین نیازمندیهای سیم پیچ اضافه شده تصحیح گردد، از نظر تئوری فضای اشغال شده توسط سیم پیچ های ثانویه باید همانند فضای نظیر سیم پیچ اولیه باشد. به دلیل اینکه توان گرفته شده از شبکه با توان داده شده به شبکه برابر است در عمل سیم پیچ ثانویه شامل یک یا چند سیم پیچ است و لذا ثانویه معمولاً 60 تا 70 درصد فضا را به خود اختصاص می دهد و معادله فوق جهت تامین این نیازها باید به این شکل اصلاح گردد:

گام بعدی انتخاب شکل و ماده هسته است. (اندازه حداقل مورد نیاز) این کار با انتخاب هسته ای با اندازه درست بزرگتر از مقدار محاسبه شده انجام می شود انجام این کار برای مواردی که حجم هسته برای گنجاندن سیمها کافی نباشد مفید است سپس نوبت محاسبه شکاف هوایی با کمک رابطه زیر است:

مساحت هسته  از برگه اطلاعات محاسبه می شود .  نوعاً برابر نصف  انتخاب می شود. و سپس هسته ای که به مقدار محاسبه شده نزدیکتر است انتخاب می گردد. از اینجا به بعد عملاً از اطلاعات فنی در همه محاسبات بعدی استفاده می شود. حالا که هسته انتخاب شده نوبت تعیین دور مورد نیاز است.

برای سیم پیچ اولیه از رابطه زیرین می توان استفاده کرد:

در این مرحله ذکر یک نصیحت مفید است و آن اینکه چگالی فلو در شرایط عملی تر مجدداً محاسبه گردد (تحت ولتاژ ورودیی که انتظار داریم) این کار به کمک یک قانون فاراد امکان پذیر است.

این مقدار به دست آمده باید به 50% مقدار اشباع نزدیک باشد:

اگر این مقدار به 65 تا 70 درصد نزدیک باشد به افزایش شکاف هوایی و محاسبه مجدد توصیه می گردد. به کارگیری بالا مشکلاتی را در دما و ولتاژ به بالا ایجاد می کند، حالا تعداد دور مورد نیاز ثانویه می تواند محاسبه شود. به خاطر داشته باشید که ثانویه باید  همه انرژی ذخیره شده را تا دوره بعدی از هسته بردارد. و حداقل دوره زمانی لازم هنگامی اتفاق می افتد که حداقل ولتاژ ورودی و دوره هدایت سوئیچ در مقدار حداکثر قرار داشته باشد. تعداد دور به وسیله رابطه 28-6 محاسبه می شود.

در جایی که افت ولتاژ مستقیم یکسوساز است، چنانچه محاسبات به عدیی غیر صحیح منجر شود آن را به نزدیکترین عدد صحیح گرد می کنیم. هیچگاه سیم پیچی با دور کمتر از یک نداشته باشید به دلیل اینکه به تزویج ضعیف و اندوکتانس نشتی منجر خواهد شد.

افزودن سیم پیچ های دیگر به ترانسفورمر کار ساده ای است و مشابه ترانسفورمر حالت فوروارد انجام می شود. و طراح نسبت دوربر ولت را باید محاسبه کند و برای سایر سیم پیچ ها به کار ببرد. به خاطر داشته باشید که افت ولتاژ مستقیم دیودها را باید یدر نظر بگیرید تعداد دور ثانویه های اضافه شده می تواند به کمک رابطه زیر محاسبه شود:

در جایی که  خروجی اصلی تغذیه (بالاترین توان خروجی) و  ولتاژ مطلوب افزودنی است. در اینجا هم نتیجه غیر صحیح به نزدیکترین مقدار صحیح گرد می گردد و این کار تا جایی که حجم هسته اجازه می دهد انجام می گیرد. اگر خطای ولتاژ خروجی در نتیجه گرد کردن غیر قابل قبول باشد تصحیحات لازم با تغییر تعداد دور اولیه می تواند انجام می گیرد.

در این مرحله می توان گفت که طرحر وی کاغذ تمام شده است. ولی ترانسفورمر فلای بک به دلیل ذخیره کردن مقدار زیادی انرژی در طی هر چرخه قابلیت تولید اسپایمک های بزرگ و پر انرژی را در سیم پیچ هایش دارد. طرح ضعیف ترانسفورمر تولید به اسپایک های قوی تا حد V200 منجر خواهد شد. که می تواند به شکست بهمنی ترانزیستور قدرت یا MOSFET و در نتیجه آسیب دیدن آنها منجر شود.

افزودن یک اسنوبر به مدار حاشیه ایمنی کمی ایجاد خواهد کرد که کارایی عملیات مدار را چند درصد خواهد کاست. راههای متعددی جهت کاهش فیزیکی این اسپایک ها وجود دارد.

دو عامل در ایجاد و مقدار اسپایک ها موثر است. نخست تزویچ سیم پیچ اولیه با هسته سیمهایی که شل پیچیده شده اند ایجاد میدان مغناطیسی را می کنند که در فضای خالی گردش می کنند و همانند یک القاگر سری اضافی با اندوکتانس اولیه عمل می نمایند. که اندوکتانس نشتی نامیده می شوند و اسپایک تولید خواهند کرد. چنانچه سیم پیچ شل باشد انرژی کافی در هسته ذخیره نخواهد شد و قابلیت حمل بار تحت تاثیر قرار می گیرد.

عامل دیگر تزویج خازنی بین اولیه و ثانویه است این تزویج به دلیل انتقال نوسانات سرع بین این دو مهم است. زمان ما بین خاموش شدن سوئیچ قدرت و شروع به هدایت دیود بسیار مهم می باشد چرا که در این زمان اسپایک های خیلی بالای ولتاژی می تواند تولید شود.

پیچیدن دو گانه اولیه و ثانویه و تفکیک لایه ها به وسیله نوار عایق توصیه می شود. برای ورودیهای کمتر از V5/42 تزویج خازنی سیم پیچ های لایه لایه پیچیده شده بدترین حالت است و استفاده از این روش توصیه نمی شود.

پیچیدن ترانس به این روش ها ممکن است گران تمام شود ولی قابلیت اطمینان بالایی را تامین می کند که ارزش آن را دارد.

تنظیم گذرای خروجی

تنظیم گذرا به چگونگی پاسخ هر یک از خروجیها به تغییرات بار در هر یک از خروجیها اطلاق می شود.این موضوع عموماً مورد بحث قرار نمی گیرد ولی برای عملکرد صحیح یک منبع تغذیه سوئیچینگ مهم می باشد.

فضای سیم پیچی، عنصرهای مغناطیسی و چگونگی حس و پاسخ مدار کنترل به تغییرات بار عوامل موثر بر فاکتور فوق می باشند.

پدیده تنظیم ضعیف به راحتی می تواند تشریح گردد:

نخست آنکه در اغلب رگولاتورهای دارای چند خروجی، یک و یا چند تا از ولتاژ های خروجی می توانند حس شوند . و اینکه همه این ولتاژها را به سطح قابل فهم برای تقویت کننده خطا تبدیل کنیم کاری غیر عملی و گران است.

معنای این حرف آن است که خروجی حس شده رگولاسیون خیلی قوی بار دارد در حالی که سایر خروجیها رگولاسیون ضعیفی را به نمایش می گذارند. هر گونه تغییر در بار خروجی بلادرنگ حس می شود، و مولد حلقه PWM را تحت تاثیر قرار می دهد، و در این حالت خروجیهای دیگر هم عرض پالس متفاوت را دریافت می کنند. در حالی که جریان بار آنها تغییری نکرده است.

نوعاً هنگامی که در خروجی تحت حس افزایش بار رخ می دهد ولتاز سایر خروجیهای حس نشده افزایش می یابد. گاهی اوقات این مقدار تا 20% هم می رسد. برعکس هنگامی که افزایش بار در خروجیهای حس نشده رخ می دهد بارهای تحت حس در ولتاژ نامی خود باقی می مانند و در این حالت خروجی حس نشده کاهش ولتاز را تجریه می کند. این تغییر نامنتظره در ارتباط با بار می تواند به عملکرد نامعقول و یا حتی خطا منجر شود.

تنظیم گذاری ایده آل عملاً با قرار دادن یک رگولاتور خطی قدرت در هر یک از خروجیها نمی تواند تحصیل شود. چرا که در تضاد با بازده تغذیه است. و آنچه عملاً اتفاق می افتد آن است که همه خروجیها تنظیم بد بار را به نمایش می گذارند.

سه بخش موثر در تنظیم گذاری خروجی در اینجا ذکر شده اند استفاده از یک روش ترکیبی بهبود قابل ملاحظه ای را ایجاد می کند:

- ترانسفورمر

- فیلتر خروجی

- شبکه حسگر خروجی

 

روش ترانسفورمر

ترانسفورمر قلب تغذیه سوئیچینگ است و طراح آن باید بیشترین نگرانی را از بابت آن داشته باشد طرح نه تنها باید تعداد دور سیم پیچ و هسته را مناسب انتخاب کند بلکه بهترین روش سیم پیچ را هم باید در نظر بگیرد.

نخست آنکه هم سیم پیچ هایی که با ولتاژ بالا روبرو نیستند باید به صورت دو گانه پیچیده شوند. یعنی دو گانه کردن سیم پیچ ها پیش از پیچیدن به دور هسته که این کار تزویج عالی را به همراه دارد. به علاوه آشکارا اندوکتانس نشتی را کاهش می دهد. تزویج به خاطر انتقال لبه های نوسانات سریع سویئچ ما بین اولیه و ثانویه اهمیت دارد.

با این کار عملکرد یکسو کننده بهبود قابل ملاحظه ای می یابد و قطارهای پالس یکسو شده ظهور بهتری پیدا می کنند و هر گونه تغییری در بار خروجی به داخل هسته و شبکه حسگر ولتاژ انتقال می یابد.

اگر ایزولاسیون بالای دی الکتریکی ما بین اولیه و ثانویه مطلوب باشد، (رگولاتورهای off-line) از تکنیکی به نام «در حال گذر» باید استفاده شود. این در جایی است که سیم پیچ اولیه رد هسته جای گرفته است سپس این لایه توسط لایه ای از چسب "Maylar" برای عایق سازی پوشانده شده است. سپس سیم پیچ های دو گانه ثانویه روی آن و در مجاورت هسته قرار گرفته اند و توسط لایه دیگری از چسب فوق پوشانده شده اند در نهایت باقیمانده سیم پیچ اولیه  در قسمت خارجی جای گرفته است. این گونه پیچیدن سیم پیچ های اولیه و ثانویه بالاترین تزویج ممکن را امکان پذیر ساخته است.

این روش به خوبی سیم پیچی مضاعف همه سیم پیچ ها نیست چرا که اسپایک در سیم پیچ اولیه وجود دارد.

 


شبکه حسگر ولتاژ

این روش به بهبود آشکاری در تنظیم خروجی منتهی می شود و اجرای آن خیلی گران است. که اساساً دو یا بیش از دو خروجی مثبت را حس می کند این کار با افزودن مقاومت هدایت کننده به زمین و براساس اصل جمع آثار انجام می گیرد. (مضربی از هر یک از خروجیها در ولتاژ بازخورد حضور خواهند داشت).

 

در این روش اساساً یک گره جمع کننده جریان در ورودی تقویت کننده خطا قرار می گیرد. اغلب جریان های گرفته شده باید از بالاترین ولتاژ های خروجی مثبت اخذ شوند، درصد حس که مستقیماً بر میزان شدت رگولاسیون خروجی تاثیر می گذارد با جریان ولتاژ هر یک از بارها متناسب است. بهره حاصله ازاین روش نه تنها رگوله کردن ولتاژ خروجی نسبت به زمین گرفته شده ا ست. بلکه این روش اختلاف بین خروجیها را هم رگوله می کند.

این ولتاژ حس شده عملاً به مدار کنترل اجازه تغییر در پارامترهای مختلف از جمله مغناطیسی را در جهت تنظیم خروجی می دهد. نتیجه هم تنظیم خروجیها بدون توجه به اینمکه حس شده هستند یا نیستند می باشد. نوعاً تنها خروجیهای مثبت حس می شوند چرا که تبدیل ولتازهای خروجی منفی به ولتاژ مثبت کاری پر زحمت و سخت است.

سلف فیلتر خروجی تزویج شده از دو سر

این روش از نظر تئوری به همه خواسته های موجود در رابطه با بهبود تنظیم در رگولاتور سوئیچینگ نوع فوروارد پاسخ می دهد. اساساً القاگر فوق برای دو یا بیش دو تا از خروجیهای پیچیده شده روی یک هسته توصیه می شود. و اندازه هر سیم پیچ برای شرکت در یک مقدار نوعی فوران (فلو) در هسته تعیین شده است. و این انباره فوران با وجود هر یک از خروجیها در هسته قادر به ایجاد است. یکی از خروجیها در هسته توسط تقویت کننده خطا حس می شود. هنگامی که باریکی از خروجیهای غیر حس شونده تغییر کند.

بلادرنگ با انعکاس از طریق هسته به تقویت کننده خط انتقال می یابد، همچنین اگر هر یک از خروجیها به حالت فوق جریان درآید همه خروجیها به حالتی همانند می روند. یک مشکل اساسی در ارتباط با این روش وجود دارد و آن این است که این روش تنها برای یک جفت خروجی همانند خروجیهای یکسان با پلاریته مخالف، امکان پذیر است.

پیچیدگی و دقت محاسباتی بالایی در سیم پیچی لازم است، که برای یک محیط تولیدی آن را غیر ممکن می کند (هر دور خطا حدود 1% از کیفیات تغذیه می کاهد).

این کار یک روش بی نهایت آزمایشگاهی است پروسه طرح چنین ترانسفورمرهایی با تعیین حداقل اندوکتانس برای کمترین بار مورد نیاز آغاز می شود. سپس انتخاب هسته (اندازه برای حدود 30% انباشتگی) و محاسبه تعداد دور مورد نیاز تعداد دور خروجی نظیر اولیه است. سیم پیچی به صورت مضاعف انجام می شود. توصیه می شود از هسته های جداگانه برای هر جفت خروجی مکمل استفاده شود. (مثلاً V12 ).

 

روشهای اجرای سخت افزاری حفاظت در برابر ولتاژ اضافی

دیود زنر (Zener Diode)

دیود زنر یکی از ارزانترین راههای قابل اجرا در مقابل اضافه ولتاژ است. دیودهای زنر در مقابل عبور 10 تا 20 برابر جریان نامی خود برای مدت کوتاه بدون آسیب دیدگی مقاوم هستند.

به علاوه به عنوان یک برشگر ولتاژ می توانند به کار بروند و هنگامی که دیود می سوزد به صورت اتصال کوتاه در می آید و در این صورت بار هیچگاه با ولتاژ روبرو نمی شود، هزینه تعویض دیود خیلی کمتری از بار است. تنها احتمال تولرانس دیودهای زنر است و راه حل انتخاب دیود با تولرانس کمتر است. تا اینکه بار هیچگاه با ولتاژ مرگباری روبرو نشود.

 

اهرم ولتاژ فوق العاده (The Over voltage Crowbar)

این طرح اساساً یک مقایسه گر ولتاژ تعقیب شونده به وسیله یک SCR است.

هنگامی که ولتاژ از یک سطح آستانه تجاوز کند، در این حالت SCR خروجی فعال می شود و با روشن شدن SCR خروجی به زمین وصل شده و تغذیه وارد حالت کاری فولدبک می شود. (یعنی اینکه فیوز می سوزد یا تغذیه خاموش می شود) نقطه ضعف این مدار دقت در ولتاژ آستانه و حساسیت به نویز می باشد که موجب می شود مدار به صورت غیر دقیق آتش شود.

 

روشهای سخت افزاری برای مقابله با حالت جریان بیش از حد

محدود کردن جریان و فولد بک

چندین نوع از این مدار حفاظتی وجود دارد که هر یک مشخصه تفاوتی را عرضه می کنند. توصیه های فراوانی برای گنجاندن اشکال مختلف حفاظت جریان فوق العاده در هر طرح تغذیه وجود دارد. اساسی ترین شکل حفاظت محدود کردن جریان است.

این کار با حس جریان در اولیه ترانسفورمر و تنظیم آن انجام می گیرد. هنگامی که بار افزایش می یابد این کار قدرت ورودی را ثابت می کند. در نتیجه قدرت خروجی هم ثابت می ماند، تنها اشکال این است که اجازه عبور جریان را در یک اتصال کوتاه می دهد که به سوختن PCB منجر می شود. محدود کردن جریان خروجی بهترین راه غلبه بر این مشکل است.

 

در این حالت هم جریان و هم ولتاژ خروجی کم شده اند چرا که توان ورودی به اتصال کوتاه به شدت کاسته شده است. بر این اساس دستگاه هنگام بروز اتصال کوتاه خاموش می شود.

در هنگام روشن کردن یک مولد راه انداز جریان را در اختیار IC برای راه اندازی قرار می دهد بعد از آنکه خروجی به مقدار نامی رسید مدار راه اندازی از کار خارج می شود.

در هنگام بروز اتصال کوتاه مدار کنترلر، خروجی را کم می کند (با کنترل ولتاژ هدایت) برای بازگشت مجدد تغذیه به کار باید مدار خاموش و سپس مجدداً روشن شود.

کپی برداری با ذکر منبع مجاز می باشد.

+ نوشته شده توسط احسان حسیبی در چهارشنبه شانزدهم بهمن 1387 و ساعت 1:30 |


Powered By
BLOGFA.COM


........ ............

نظر یادتون نره

با تشکر از حضور شما در وبلاگ

............fal>>...